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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Energieübertragung über einen Luftspalt?


Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo,
ich würde gerne ein kleines Handgerät, eine Art Fernbedienung, mit einem 
Akku betreiben. Der Akku muss nun von Zeit zu Zeit aufgeladen werden. 
Das würde ich gerne nicht über irgendwelche Stecker oder Kontaktfedern 
oder so machen sondern ich möchte die nötige Energie über einen 
Luftspalt, per Induktion übertragen.

Es soll eine Art Basis geben, die eine Primärspule enthält, das 
Handgerät legt man darauf und die dort eingebaute Sekundärspule empfängt 
die Energie und versorgt die Ladeelektronik mit Strom.

Offensichtlich werden z.B. die Akkus in elektrischen Zahnbürsten i.A. so 
geladen, nur wie geht’s genau? Wie dimensioniert man die Spulen bzw. 
Schwingkreise? Ich vermute man wird aufeinander Abgestimmte 
Serienschwingkreise benutzen. Ist das richtig?

Grüße
Flo

Autor: Analog (Gast)
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Übersetzungsverhältnis der beiden Spulen bestimmen, Leistungsanpassung 
vornehmen - fertig

Autor: Thorsten (Gast)
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Hi ich glaube, das ganze geht so von statten:
In der Ladestation fliest Wechselstrom durch eine Spule. Diese erzeugt 
eine
Induktionsspannung in der Spule der, die sich in der Zahnbürste 
befindet.

Aus einer Formelsammlung der Physik lässt sich die Formel dazu 
herleiten.
Wenn ich se finde schreib ich es dir auf.

Gruß
Thorsten

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Aber euch ist schon klar, das ein großteil der Energie, die ihr in die 
Primärspule pumpt, IM Luftspalt ankommt??

        B²    lFE                   B:    magnetische Feldstärke
W = ~ ----- (---- + lLu ) * A       A:    magnetischer Querschnitt
       2µ0    µr                    µr:   rel. Perm. Kern
                                    lFE:  eff. Länge Feldlinien in Kern
                                    lLuf: Länge Luftspalt


Deshalb kommt nicht wirklich was in (einer luftgekoppelten) 
Sekundärspule an... (Streuinduktivität)

Autor: Thorsten (Gast)
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Meines wissens ist die Energie zu 95% nutzbar. Oder liege ich da Falsch

Autor: Thorsten (Gast)
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Das hab ich gerade beim googeln gefunden. Is so als info auch ganz 
interessant:

http://www.bticcs.com/pub/d+e2005.pdf

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Matthias Lipinsky wrote:
> Aber euch ist schon klar, das ein großteil der Energie, die ihr in die
> Primärspule pumpt, IM Luftspalt ankommt??
Klar, bedingt durch die exorbitant große Streuinduktivität einer solchen 
Anordnung ist der Wirkungsgrad hundsmiserabel. Im Prinzip ist das ja 
nichts Anderes als ein Transformator mit abnehmbarer Sekundärwicklung. 
Aber bei so kleinen Leistungen spielt das ja auch fast keine Rolle... 
(Hoffentlich liest das jetzt keiner von den Grünen...;-)

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Thorsten wrote:
> Meines wissens ist die Energie zu 95% nutzbar. Oder liege ich da Falsch
Na, das halte ich für erheblich zu hoch gegriffen.

Autor: Carsten (Gast)
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Das passt doch ganz gut zum Thema:
http://www.rutronik.com/index.php?id=59&L=1&tx_ttn...

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Carsten wrote:
> Das passt doch ganz gut zum Thema:
> 
http://www.rutronik.com/index.php?id=59&L=1&tx_ttn...
Und selbst die Dinger erreichen "nur" 70% Wirkungsgrad...

Autor: Bensch (Gast)
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Hab vor Jahren mal sowas konstruiert.

Sender: Ferrit E-Kern (also z.B. eine Hälfte eines EI-Trafos) als Teil 
eines 50kHz-Schwingkreises.
Empfänger: derselbe E-Kern, Wicklung mit einem C auf Resonanz 
abgestimmt.

Abstand ca. 3mm (Plastikgehäuse), Wirkungsgrad sagenhafte 50% !!!, 
übertragene Leistung ca. 200mW.
Ohne Resonanz oder ganz ohne C ist der Wirkungsgrad besch...

Bei der Zahnbürste wird m.W. mit 50Hz gearbeitet, also nur geteilter 
Netztrafo, da wird kaum Liestung übertragen.

Autor: Thorsten (Gast)
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Wenn man es wirklich so realisiert wie einen Trafo.
   __
  |  |
__|  |__   So wenn das die Spule der Ladestation ist.


|  __  |
| |  | | Und das das zu ladende Bauteil.
|_|  |_| praktisch so das zu ladende Bauteil die Spule umschließt.

Wie bei ner Zahnbürste eben. Gut das Gehäuse sollte halt recht dünn 
sein.

Dann sollte doch der Wirkungsgrad recht hoch bleiben?
Also vom Prinzip auch rechenbar wie ein Trado, oder?

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Thorsten wrote:
> Wie bei ner Zahnbürste eben. Gut das Gehäuse sollte halt recht dünn
> sein.
Eben.

> Dann sollte doch der Wirkungsgrad recht hoch bleiben?
> Also vom Prinzip auch rechenbar wie ein Trado, oder?
Wenn Du mit "Trado" nen Trafo meinst: Im Prinzip ja, denn es handelt 
sich um einen Trafo. Allerdings ist bei den geringen 
Übertragungsleistungen der Einfluss der Streuinduktivität sehr hoch. 
Dementsprechend mau sind die Koppelfaktoren.

Du hast doch selbst den Link zu dem Dokument gepostet. Da steht 
eigentlich alles drin, was man wissen muss. Klar, mit Trafos kann man 
sehr hohe Wirkungsgrade erzielen, wenn die magnetische Kopplung 
optimiert wird. Das geht bei solchen Anwendungen nunmal prinzipbedingt 
nur in Grenzen.

Autor: Michael H* (Gast)
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wie sieht es denn mit der frequenz aus? die geschichte sollte doch umso 
besser funktionieren, je höher die frequenz ist, oder liege ich da 
falsch?

Autor: Sebastian (Gast)
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Billigzahnbürste nehmen und zerlegen :-))

Autor: Bensch (Gast)
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> wie sieht es denn mit der frequenz aus?

Richtig, darum hatte ich ja auch seinerzeit <50 kHz genommen. Ab 150 kHz 
gibt's Vorschriften für die Störstrahlung, die 3. Oberwelle liegt da 
noch drunter.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Michael H* wrote:
> wie sieht es denn mit der frequenz aus? die geschichte sollte doch umso
> besser funktionieren, je höher die frequenz ist, oder liege ich da
> falsch?
Was heißt bei Dir "besser funktionieren"?

Bei höherer Frequenz kann man an der Baugröße der Gesamtanordnung sparen 
(Kernquerschnitt), also entweder auf gleichem Volumen mehr Leistung 
übertragen oder bei gleicher Leistung die Anordnung verkleinern. Die 
Frequenz dürfte aber keinen Einfluss auf den Koppelfaktor haben. Der ist 
allein durch die Geometrie der Anordnung gegeben. Und der Wirkungsgrad 
geht mit dem Koppelfaktor baden.

Schau Dir einfach Thorstens Link von 12:49 mal an. In dem Dokument steht 
eigentlich alles Wissenswerte drin (soweit ich das beim Überfliegen 
sehen konnte).

Autor: Matrix (Gast)
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Was evt auch interesannt sein könnte wäre eine Platte auf der Quadrate 
angeordnet sind welche immer unterschiedlich mit + oder - beschaltet 
sind. An dem Gerät macht man 3-4 kleine punktförmige Kontakte an der 
Seite welche nachher auf der Platte liegt. Die Punkte werden im Gerät 
über Gleichrichter verbunden und schon hat man ohne große Verluste die 
Spannung zum Laden.
(Die Punkte sollten weit auseinander sein und kleiner als der Abstand 
zwischen den Platten um einen Kurzschluss zu vermeiden)

Nachteile: Spannungsquelle muss man mit einer Strombegrenzung ausstatten 
um Kürzschlüsse durch fremde Metallgegenstände zu vermeiden, Spannung 
und Strom sollten nicht zu hoch sein.

Autor: Andy (Gast)
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In der Januar-Ausgabe der Elektor gibts einen Artikel, der sich mit der 
drahtlosen Energieübertragung beschäftigt.

Autor: Michael H* (Gast)
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Johannes M wrote:
> Schau Dir einfach Thorstens Link von 12:49 mal an. In dem Dokument steht
> eigentlich alles Wissenswerte drin (soweit ich das beim Überfliegen
> sehen konnte).

das pdf hab ich gelesen.
aber stimmt, gibt einfach nur kleinere abmessungen. danke.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo,
vielen Dank erst mal für die vielen Vorschläge und Anmerkungen. Super.


@al.
Der Wirkungsgrad wird sicher lausig, das ist mir klar. Es muss aber je 
nur wenig Leistung übertragen werden, so dass man die Verluste immerhin 
leicht loswird, schön ist’s natürlich trotzdem nicht und eigentlich 
ist’s auch ökologisch nicht vertretbar, aber für ein Einzelstück… (darf 
nur nicht jeder so denken, naja...)

@ Thorsten
> http://www.bticcs.com/pub/d+e2005.pdf
Sehr hilfreiches Dokument, danke für den Link. leider ist der dort 
erwähnte Laderegler nicht, bzw. noch nicht erhältlich, weil er bisher 
nur in Kundenspezifischen Applikationen eingesetzt wird und nicht frei 
verkauft wird. Aber das meiste in dem PDF gesagte ist ja 
allgemeingültig.

@Carsten
> http://www.rutronik.com/index.php?id=59&L=1&am...
Genau das brauch ich. :-) Leider noch nicht, bzw. kaum verfügbar, und 
teuer. Bei 1-100 Stück kommt das Pärchen, also Primär und Sekundär Modul 
auf 110 EUR! Ich werde mal ein paar eigene Experimente machen, wenn ich 
das ganze gar nicht hinbekomme versuche ich das Modul zu bekommen, die 
gesparte Zeit ist auch viel Wert.

@ Matrix
>[Lösung mit Kontakten]
So eine oder so eine Ähnliche Lösung wäre die Notlösung. Drahtlos fände 
ich eleganter, weil man da keine Elektroden auf der Oberfläche der 
Geräte benötigt.

@Andy
> In der Januar-Ausgabe der Elektor gibts einen Artikel, der
> sich mit der drahtlosen Energieübertragung beschäftigt
Danke, da werd ich morgen mal in die Bibliothek rüberschauen.



Ich werde mal versuchen Spule und Kondensator zu dimensionieren und 
meine Ergebnisse hier reinschreiben. Wär’ schön, wenn sich dass dann 
noch mal jemand mit mehr Ahnung anschauen könnte.

Grüße
Flo

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